[論文レビュー] Gate-tunable exciton-polaron Rydberg series with strong roton effect

Erfu Liu, Jeremiah van Baren+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

2D Materials and Applications参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、超クリーンなモノレイヤーMoSe₂において、フェルミ海内の極化された電子-ホールクラウドによってドレスアップされた励起子が、ゲートでチューニング可能な励起子-ポラロンラウベール状態を示すことを実証した。観測された強いロトン様分散は、フェルミ海が拡大するに従い、1sから3s状態へとエネルギー準位が著しく抑制され急激にシフトすることが示され、吸収帯と発光帯の間のエネルギーギャップが増大しており、トリオン物理学を越えた多体効果が確認された。

ABSTRACT

The electronic exciton polaron is a hypothetical many-body quasiparticle formed by an exciton dressed with a polarized electron-hole cloud in the Fermi sea (FS). It is predicted to display rich many-body physics and unusual roton-like dispersion. Exciton polarons were recently evoked to explain the excitonic spectra of doped monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs), but these studies are limited to the ground state. Excited-state exciton polarons can exhibit richer many-body physics due to their larger spatial extent, but detection is challenging due to their inherently weak signals. Here we observe gate-tunable exciton polarons for the 1s - 3s excitonic Rydberg series in ultraclean monolayer MoSe$_2$ devices by optical spectroscopy. When the FS expands, we observe increasingly severe suppression and steep energy shift from low to high Rydberg states. Their gate-dependent energy shifts go beyond the trion description but match our exciton-polaron theory. Notably, the exciton-polaron absorption and emission bands are separated with an energy gap, which increases from ground to excited state. Such peculiar characteristics are attributed to the roton-like exciton-polaron dispersion, where energy minima occur at finite momenta. The roton effect increases from ground to excited state. Such exciton-polaron Rydberg series with progressively significant many-body and roton effect shall provide a new platform to explore complex many-body phenomena.

研究の動機と目的

• ドーピングされたモノレイヤー遷移金属ジ chalcogenidesにおける励起状態の励起子-ポラロンを、基底状態を超えて調査すること。
• 相関する2次元系における弱い信号を発する励起状態準粒子の検出という課題に取り組むこと。
• 静電的ドーピング条件下での多体励起子状態にロトン様分散がどのように現れるかを調査すること。
• チューナブルなラウベール励起子-ポラロンを用いた、複雑な多体現象を研究するためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 超クリーンなモノレイヤーMoSe₂デバイスにおける1s–3s励起子ラウベール系列を調べるために、光学分光法が用いられた。
• フェルミ海のサイズをチューニングし、多体環境を制御するために静電的ゲーティングが適用された。
• 励起子-ポラロン行動とトリオンモデルを区別するために、励起子状態のゲート依存的エネルギーシフトが測定された。
• 励起子-ポラロン理論に基づく理論的モデリングが、観測されたスペクトル特徴と分散を解釈するために用いられた。
• ロトン様分散の兆候として、吸収帯と発光帯の間の分離が定量化された。
• スペクトルの抑制とエネルギーシフトの進化から、空間的広がりと多体ドレスアップ効果が推定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーMoSe₂における静電的ゲーティング下での励起ラウベール系列における励起子-ポラロン状態は、どのように振る舞うか？
• RQ2 分散関係におけるロトン様最小値が、ラウベール励起子のエネルギーおよびスペクトルの進化にどの程度現れるか？
• RQ3 観測されたスペクトル特徴はトリオンモデルで説明可能か、それとも多体励起子-ポラロン記述を要するか？
• RQ4 フェルミ海の拡大に伴い、ロトン効果（有限運動量におけるエネルギー最小値）として特徴づけられる多体相互作用の強さは、基底状態から励起状態へどのように変化するか？
• RQ5 フェルミ海の拡大が、励起子-ポラロンの吸収帯と発光帯のエネルギーギャップをどのように調節するか？

主な発見

• ゲートチューニング下での1s–3s励起子-ポラロン状態のエネルギーシフトは、トリオンモデルの予測を上回っており、多体ドレスアップが確認された。
• 基底状態から励起状態へと移行するに従い、吸収帯と発光帯の間のエネルギーギャップが増大しており、ロトン様分散が強化されていることが示された。
• フェルミ海が拡大するに従い、1sから3s状態へとスペクトルの抑制と急激なエネルギーシフトが強化され、より強い多体効果が示された。
• ロトン効果、すなわち有限運動量におけるエネルギー最小値は、1s状態から3s状態へと段階的に増大した。
• 観測されたスペクトル特徴は、フェルミ海内における励起子-ポラロン準粒子の理論的予測と定量的に整合した。
• 本研究の結果は、2次元量子材料における複雑な多体現象を探索するためのゲートでチューニング可能なプラットフォームを確立した。